Новости / статьи

Торцевые уплотнения в насосах - теория работы, типы, конструкции, технологии.

Торцевое уплотнение – это устройство, которое образует вращающееся уплотнение между подвижной и неподвижной частями. Оно было разработано для устранения недостатков сальниковой набивки. Утечка может быть снижена до уровня соблюдения экологических стандартов государственных регулирующих органов и затраты на техническое обслуживание и ремонт также могут быть снижены.

Преимущества торцевого уплотнения по сравнению с обычной сальниковой набивкой:

1. Отсутствие или ограниченная утечка перекачиваемой жидкости.
2. Уменьшение трения и потери мощности насоса.
3. Уменьшение  износа вала и втулки.
4. Сокращение расходов на обслуживание.
5. Возможность использования при более высоких давлениях и более агрессивных средах.
6. Широкое разнообразие конструкций позволяет использовать торцевые уплотнения почти во всех насосах.

Основы торцевого уплотнения

Все торцевые уплотнения состоят из трех основных базовых наборов частей как показано на рисунке 1.

1. Набор первичного герметизирующего уплотнения: один вращающийся и один стационарный, представлен на рисунке 1 как уплотнительное кольцо и запрессованная деталь (прокладка).
2. Набор вторичного уплотнения, известный как сальниковая набивка вала и запрессованные детали (прокладки) таких как уплотнительные кольца, клинья и V-образные кольца.
3. Герметизирующие торцевые уплотнения включая уплотнительные кольца сальника, манжеты, компрессионные кольца, шпильки, пружины и гофрированные трубки.

Как работает торцевое уплотнение.

Первичное герметизирующее уплотнение достигается с помощью двух очень плоских полированных поверхностей, которые создают сложный путь, перпендикулярный пути утечки (препятствуют утечке). Трущийся контакт между этими двумя плоскими поверхностями сводит утечку к минимуму. Как и во всех уплотнениях, одна поверхность установлена неподвижно в корпусе, а другая зафиксирована и вращается вместе с валом. Одна из поверхностей, как правило, выполнена из износостойкого материала, таких как угольный графит. Другая, как правило, из относительно стойкого материала твердого материала как карбид кремния. Разнородные материалы, как правило, используют для стационарных прокладок и вращающихся кольцевых уплотнителей, чтобы предотвратить прилипание этих двух поверхностей. Мягкая сторона обычно имеет менее сопряжённые поверхности и обычно называется истирающаяся кромка.

Существуют четыре основных точки уплотнения в торце торцевого уплотнения (рисунок 2). Первичное уплотнение – это торцевая поверхность уплотнения, точка А. Путь утечки в точку В блокируется либо уплотнительными кольцами, V-образным кольцом, либо клином. Пути утечек в точки С и Д блокируются прокладками или уплотнительными кольцами.

Поверхности в типичных торцевых уплотнениях смазываются граничным слоем газа или жидкости. При разработке уплотнений с желаемыми параметрами протечек, ресурсом уплотнения, энергопотреблением, проектировщик должен учесть, как поверхности будут смазываться и принцип их смазывания.

Для выбора наилучшей конструкции уплотнения необходимо иметь как можно больше информации о рабочих условиях и перекачиваемой среде. Полная информация о продукте и окружающей среде позволяет выбрать наилучшее уплотнение для данного применения.

Типы торцевых уплотнений

Торцевые уплотнения можно разделить на несколько типов и конструкций:

Сталкиватель

Включение вторичного уплотнения, которые перемещаются аксиально вдоль вала или втулки необходимо для поддержания контакта уплотнительных поверхностей. Эта функция компенсирует износ по передней поверхности уплотнения и биения из-за смещения. Преимуществом толкателя является его относительная дешевизна и коммерческая доступность в широком диапазоне размеров и конфигураций. Его недостатком является то, что он может вызвать смещение вторичного уплотнения и коррозионное истирание вала или втулки.

Без сталкивателя

Уплотнение без сталкивателя или сильфон не должны двигаться по валу или втулке для поддержания контакта поверхностей торцевого уплотнения. Основными преимуществами являются способность работать при высоких и низких температурах, и отсутствие необходимости во вторичном уплотнении (нет склонности смещению вторичного уплотнения). Недостатком этого типа уплотнения является то, что поперечные сечения сильфона должны быть модернизированы для использования в агрессивных средах.

Несбалансированные

Они недороги, утечки малы, а также они более стабильны под воздействием вибрации, отклонении от соосности и кавитации. Недостатком является их относительно низний предел давления. Если равнодействующая сила, действующая на уплотнительные поверхности, превышает предел давления, то смазочная плёнка между поверхностями выдавливается и уплотнение будет работать по сухому ходу.

Сбалансированные

Балансировка торцевого уплотнения включает в себя простое изменение конструкции, которое снижает гидравлические силы, пытающиеся закрыть торцевое уплотнение. Сбалансированные уплотнения имеют более высокий предел давления, низкую нагрузку на уплотнительные поверхности и выделяют меньше тепла. Это делает их наиболее подходящими при перекачивании жидкостей с низкой смазывающей способностью и высоким давлением насыщенных паров, таких как лёгкие углеводороды.

Обычные

Примером таких уплотнений являются те, которые требуют установку и выравнивание уплотнения (одинарное, двойное, тандем) на валу или втулке насоса. Хотя установка торцевого уплотнения относительно проста, на сегодняшний день делается акцент на снижении стоимости технического обслуживания и тем самым приводит в предпочтению картридж уплотнений.

Картридж

Примером таких уплотнений являются те, которые имеют торцевое уплотнение предварительно установленное на втулке включая крышку сальника плотно прилегающую к валу или втулке вала (доступны одинарные, двойные, тандем). Основная выгода, конечно, заключается в отсутствии необходимости присоединительных размеров для их установки. Картриджевые уплотнения снижают эксплуатационные затраты и уменьшают возможные ошибки при установки уплотнения.

Конструкции торцевых уплотнений

Одинарное внутреннее

Это наиболее распространенный тип торцевого уплотнения. Эти уплотнения легко изменены для обеспечения буферной системы промывки уплотнений и могут быть сбалансированы, чтобы выдерживать высокие давления среды. Рекомендуется применять для неагрессивных и агрессивных жидкостей с удовлетворительными смазывающими свойствами, когда стоимость не превышает стоимости двойного торцевого уплотнения.

Одинарное внешнее

Если очень агрессивная жидкость имеет хорошие смазывающие свойства, внешнее уплотнение является экономичной альтернативой дорогим металлам, необходимым для обеспечения коррозионной стойкости во внутренних уплотнениях. Недостатком является незащищённость от воздействия ударов и гидравлических давлений, поэтому уплотнения имеют низкие пределы давления (сбалансированные и несбалансированные).

Двойное (двойное под давлением)

Такая конструкция рекомендуется для жидкостей, которые не совместимы с одинарным уплотнением (т.е. жидкости, которые являются токсичными, опасными (по охране окружающей среды), содержащие абразив или едкие вещества, требующие дорогостоящих металлов). Преимущества двойных уплотнений в том, что они имеют в пять раз больший срок службы, чем одинарные при тяжёлые условиях работы. Кроме того, металл внутренней части уплотнения никогда не подвержен воздействию перекачиваемых жидкостей, вязкие, абразивные и термореактивные жидкости легко герметизируются без необходимости в больших затратах. Кроме того, последние испытания показали, что срок службы двойного торцевого уплотнения практически не меняется при изменении технологических параметров работы насоса. Это является существенным преимуществом в пользу двойного торцевого уплотнения.

Окончательное решение при выборе между двойным или одинарным уплотнениями определяется стоимостью уплотнения, стоимостью эксплуатации, а также нормами промышленных выбросов в окружающую среду при протечки торцевого уплотнения.

Двойной газовый барьер (под двойным давлением)

Очень похож на картриджное двойное уплотнение. Уплотнение инертным газон, например азот, используется в качестве смазочного материала поверхности и охлаждающей жидкости вместо системы охлаждающей жидкости,  или промывки струёй жидкости, как у обычных или картриджных двойных уплотнений. Эта концепция была разработана так как многие барьерные жидкости обычно используются в двойных торцевых уплотнениях и, уже не могут использоваться согласно новым нормам состава выбросов. В качестве газового барьера, в уплотнениях используют азот или воздух в качестве безвредного и недорогого, который помогает предотвратить выброс продуктов в атмосферу и полностью соответствует нормам выбросов. Уплотнения с двойным газовым барьером необходимо использовать, при перекачивании токсичных или опасных жидкостей, которые регламентированы или в ситуациях, когда требуется повышенная надёжность.

Тандем (двойное без давления)

В соответствии с нормами здравоохранения, безопасности и охраны окружающей среды, уплотнения "Тандем" используются для перекачивания таких продуктов как винилхлорид, окись углерода, лёгкие углеводороды, а также широкий спектр других летучих, токсичных, канцерогенных или опасных жидкостей.

Уплотнения "Тандем" предотвращают обледенение легких углеводородов и других жидкостей, температура которых может опускаться ниже атмосферной точки замерзания воды в воздухе (32F или 0С). (Типичные жидкости, обладающее буферными свойствами - этиленгликоль, метанол и пропанол). Уплотнения "Тандем" также увеличивает надёжность. Если обычное уплотнение выходит из строя, внешнее уплотнение может взять на себя функцию технического обслуживания.

Выбор торцевого уплотнения

Правильный выбор торцевого уплотнения может быть сделан только, когда имеется полная информация об условиях эксплуатации.

1. Жидкость
2. Давление
3. Температура
4. Характеристики жидкости
5. Надёжность и нормы выброса

1. Жидкость

В первую очередь должна быть определена рабочая жидкость. Металлические детали должны быть коррозионно-устойчивы, как правило, это сталь, бронза, нержавеющая сталь или Hastelloy. Сопрягаемые поверхности также должны противостоять коррозии и износу. Например углерод, керамика, карбид кремния или карбид вольфрама. Стационарные элементы уплотнения Buna, EPR, Viton and Teflon являются наиболее часто используемыми.

2. Давление

Собственно тип уплотнения, сбалансированное или несбалансированное, основывается на давлении уплотнения и его размерах.

3. Температура.

В частности, определяет использование деталей уплотнения. Материалы должны быть выбраны в соответствии с температурой жидкости.

4. Характеристики жидкости

Абразивные жидкости вызывают чрезмерный износ и сокращают срок службы уплотнения. Двойные уплотнения или система промывочной жидкости от внешнего источника позволяют использовать торцевые уплотнения на этих трудных жидкостях. При перекачивании лёгких углеводородов сбалансированные уплотнения часто используются с целью увеличения срока службы уплотнения, хотя давление и низкое.

5. Надёжность и нормы выброса

Выбранный тип уплотнения и его конструкция должны отвечать желаемой надёжности и стандартам выброса. Двойное уплотнение и уплотнение с двойным газовым барьером являются предпочтительными.